CN108351329B - 用于气相色谱分析的气体进样装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于气相色谱分析的气体进样装置以及使用该气体进样装置的注入方法，该气体进样装置包括：集气管，用于收集电池内的气体并用开/关阀调节气体以排出收集的气体的一部分作为气体样品；气体采样回路，用于收集注入气相色谱仪的所述气体样品；第一切换阀，用于利用载气调节填充在所述气体采样回路中的所述气体样品向色谱柱中的注入；第二切换阀，连接到所述集气管并用于调节所述气体样品向所述气体采样回路中的扩散；以及真空泵，用于真空减压所述气体采样回路。

Description

用于气相色谱分析的气体进样装置及其方法

技术领域

本申请要求于2015年10月6日提交的韩国专利申请No.10-2015-0140638的优先权益，该申请通过引用整体并入本文以用于所有目的。

本发明涉及一种用于气相色谱(GC)分析的气体进样装置。更具体地说，涉及一种用于将低压气体样品自动注入GC的气体进样装置。

背景技术

在锂离子电池的运行中，产生诸如氢气、氧气、氮气、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、乙烷、乙烯、丙烷等的气体组分。关于这些产生的气体的组成和含量的信息可被有效地用于电池材料的研究和开发、电池生产过程的优化、电池失效原因的识别等。

为了分析电池内部产生的气体，使气体在密闭空间内扩散，并将气体样品收集到集气管中，并将收集到的气体注入气相色谱仪并通过气相色谱仪分析气体。但是，由于在密闭空间内扩散的气体的压力低，所以气体不会从集气管自动填充到气相色谱装置的采样回路中，因此存在气体被强制填充的问题。尤其在低于常压的低压气体下，这种问题可能会加剧。

因此，迫切需要研究一种即使在低压下也能自动将气体注入气相色谱仪并自动处理大量气体样品以用于分析大量气体样品的装置。

发明内容

技术问题

为了解决上述现有技术的问题，本发明的一个目的是提供一种装置和方法，该装置和方法即使对于低压气体也能够自动将电池内产生的气体注入气相色谱仪中以用于分析气体，并且能够自动处理大量气体样品以用于分析大量气体样品。

技术方案

为了实现上述目的，本发明提供了一种用于气相色谱分析的气体进样装置，该气体进样装置包括：集气管，用于收集电池内的气体并用开/关阀调节气体以排出收集的气体的一部分作为气体样品；气体采样回路，用于收集注入气相色谱仪的所述气体样品；第一切换阀，用于利用载气调节填充在所述气体采样回路中的所述气体样品向色谱柱中的注入；第二切换阀，连接到所述集气管并适于调节所述气体样品向所述气体采样回路中的扩散；以及真空泵，用于真空减压所述气体采样回路。

此外，本发明提供了一种使用所述气体进样装置来注入用于气相色谱分析的气体样品的方法。

有益效果

根据本发明的用于气相色谱分析的气体进样装置，具有即使在低压下也可自动将气体注入气相色谱仪中以及自动处理大量气体样品以用于分析大量气体样品的优点。

附图说明

图1是表示根据本发明的实施例的气体进样装置的状态的图；

图2是表示根据本发明的实施例的气体进样装置的状态的另一图；

图3是表示根据本发明的实施例的气体进样装置的又一图；

图4是表示根据本发明的另一实施例的气体进样装置的状态的图；

图5是表示根据本发明的实施例分析的气体样品的分析结果的图。

具体实施方式

在下文中，将详细描述根据本发明的用于气相色谱分析的气体进样装置和使用该装置的气体进样方法。

以下详细描述仅是本发明的一个实例。因此，尽管有明确的表述，但并不限制权利要求所限定的权利的范围。

在本发明的所有附图中，相同的附图标记指代相同的元件。

在本发明中，术语“和/或”指包括所述内容中的任何一个或多个的组合。

在本发明中，当元件被称为“连接”或“耦接”到另一元件时，应该理解，元件可以直接连接或耦接到另一元件，或者可以经由其他元件连接或耦接到另一元件。

在本发明中，除非另有说明，否则单数表述包括复数表述。

在本发明中，术语“包含”、“包括”或“具有”指存在说明书中描述的特征、数量、步骤、操作、元件、部件或它们的组合，并且不排除存在或添加其他特征、数量、步骤、操作、元件、部件或它们的组合的可能性。

在本发明中，“色谱法”是利用待分析的分析物的在固定相和流动相之间的亲和性差异将单一组分与分析物分离的物理分离，并且特别地是指在流动相为气相(气体)的情况下的气相色谱法，并且气相色谱法可以包括固定相为液相或固相的情况。

在现有技术中，为了使用用于气相色谱分析的气体进样装置分析在锂离子电池运行期间在电池内部产生的气体组分的组成和含量的信息，在电池内部产生的气体与载气通过使用一个切换阀被依次注入，然后进行气相色谱法以用于分析。然而，根据这种方法，存在这样的问题，即，只有当产生的气体的压力高于载气的压力时或者当气流连续时才能应用这种方法。

因此，本发明人努力解决上述问题，并且发现这可以通过控制两个切换阀的开/关来解决。

更具体地说，本发明的特征在于一种用于气相色谱分析的气体进样装置，该装置包括：集气管，用于收集电池内的气体并用开/关阀调节气体以提供收集的气体的一部分作为气体样品；气体采样回路，用于收集注入气相色谱仪的气体样品；第一切换阀，用于利用载气调节填充在气体采样回路中的气体样品向色谱柱中的注入；第二切换阀，连接到集气管并适于调节气体样品向气体采样回路中的扩散；以及真空泵，用于真空减压气体采样回路。

在下文中，将参照附图更具体地描述本发明。

首先，本发明的集气管收集电池内的气体，然后通过调节开/关阀排出收集的气体的一部分作为气体样品。

对集气管收集电池内部气体的方式没有特别的限制，只要是现有技术中使用的方法即可，并且优选地，可以应用与K.Kumai et al.,Journal of Power Sources 81-82(1999)715-719中的气体收集方法相同的方法。

如图1所示，集气管通过开/关阀连接到第二切换阀，并且电池内部的气体被收集，然后一部分气体被移动以作为气体样品。

如图4所示，本发明的集气管可以安装为多个集气管并排出多种气体作为气体样品，并且优选地，多个集气管可以具有多位阀(MPV)。

在这种情况下，可以通过在切换阀(例如第二切换阀)的一侧上设置多位阀(MPV)来实现自动注入多个气体样品的功能，将来自集气管的气体样品注入气相色谱仪的过程是相同的。

此外，为了依次注入多个气体样品，可以通过在用于气相色谱法的控制程序中输入连接到每个气体收集器的MPV的位置编号来实现。

只要是锂离子电池内部的气体，则多种气体就没有特别限制，并且优选地可以是选自由氢气、氧气、氮气、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、乙烷、乙烯和丙烷组成的组中的一种或多种。

此外，气体的压力可以低于常压，并且优选地低于载气的压力。

本发明的集气管的材料、形状和体积没有限制，并且集气管可以由具有即使在真空状态下形状也不变形的强度的下述材料形成，该材料可以为诸如不锈钢、铜钢、碳钢、铝合金、合金钢等的金属材料或者诸如聚醚醚酮(PEEK)、聚酰亚胺等的聚合物树脂，并且集气管可以具有管、圆柱、瓶等的形式。集气管的体积可能影响分析的准确性和精确度，因此应该适当调节并且优选地为约1mL至10mL。

集气管、第二切换阀以及用于连接第二切换阀和第一切换阀的管可以由诸如不锈钢、铜钢、碳钢、铝合金、合金钢等的金属材料制成，或由诸如聚醚醚酮(PEEK)、聚酰亚胺等的聚合物树脂制成，使得即使在真空状态或高温下形状也不变形。对于管的内径和外径没有特别的限制，并且优选地可以使用内径为0.5mm至1.5mm的管。

接下来，本发明的气体采样回路收集待注入气相色谱仪中的气体样品。本发明的气体采样回路的材料不受限制，并且气体采样回路可以由诸如不锈钢、铜钢、合金钢等的金属材料制成，使得形状和体积在真空减压下不变形，并且内部体积可以在10μL至1000μL内。

如图1所示，气体采样回路与第一切换阀连接，并且如图2所示，当第二切换阀打开时，填满从集气管排出的气体样品。如图3所示，当第一切换阀打开时，利用气相色谱仪的载气可以将采样回路中收集的气体样品注入色谱柱中。

接下来，本发明的第一切换阀利用载气调节填充在气体采样回路中的气体样品向色谱柱中的注入。

如图3所示，当第一切换阀打开时，利用气相色谱仪的载气将采样回路中收集的气体样品注入色谱柱中。第一切换阀可以调节这种情况。

第一切换阀没有特别限定，只要是现有技术中使用的阀即可，并且优选地使用六通阀或九通阀。

接下来，本发明的第二切换阀连接到集气管道并且调节气体样品扩散到气体采样回路中。

如图2所示，当第二切换阀打开时，从集气管排出的气体样品被填充到气体采样回路中。第二切换阀可以调节这种情况。

第二切换阀没有特别限定，只要是本领域中使用的阀即可，并且优选地使用六通阀或九通阀。

本发明的真空泵对气体采样回路进行真空减压。真空泵的使用没有特别限定，只要能够将气体采样回路减压至比集气管的压力低的压力即可，优选地，可以使用能够将气体采样回路的压力降低至1托或更少的真空泵。而且，如果气体采样回路可以被真空减压，则真空泵可以连接到设备中的任何地方，并且优选地，真空泵可以连接到第二切换阀以用于真空减压，并且由此真空减压气体采样回路。

根据本发明的用于气相色谱分析的气体进样装置的上述构造，在通过使用真空泵对气体采样回路进行真空减压之后，打开第二切换阀，并且因此集气管的所产生的气体被扩散并填充到气体采样回路中，然后打开第一切换阀利用载气将填充在气体采样回路中的所产生的气体注入气相色谱仪中。

本发明的用于气相色谱分析的气体进样装置，除了上述结构以外，可以进一步包括用于控制第一切换阀及第二切换阀的开/关的控制装置。通过控制两个切换阀的开/关之间的时间差，通过控制第一切换阀和第二切换阀的开/关之间的时间差，可以控制气体采样回路的真空减压、集气管和采样回路的连接以及气体样品向色谱柱中的注入。

本发明的另一方面是提供一种使用本发明的气体进样装置注入用于气相色谱分析的气体样品的方法。

具体而言，一种用于气相色谱分析的气体样品的注入方法包括：a)使用真空泵使气体采样回路减压；b)通过打开第二切换阀将集气管的所产生气体扩散到待填充的气体采样回路中；c)通过打开第一切换阀利用载气将填充在气体采样回路中的所产生气体注入气相色谱中。

[最佳方式]

在下文中，将描述本发明的优选实施例以便于理解本发明。对于本领域技术人员显而易见的是，以下实例是对本发明的说明，并且可以在本发明的范围和精神内进行各种改变和修改。这些改变和修改旨在落入权利要求的范围内。

实例

使用自动气体注入装置的在锂离子电池内部产生的气体的GC-MSD分析结果

通过使用集流器和由LiMnO₂表示的含Li化合物作为正极，使用石墨作为负极，使用聚烯烃类膜作为正极和负极之间的分离膜，并且将1M浓度的Li盐注入到碳酸盐基电解质中，来制造锂离子电池。将锂离子电池内部产生的气体收集到集气管中。这里，收集在集气管中的气体的压力是80托。

如图1所示，在第一切换阀和第二切换阀都关闭为OFF状态之后，在一分钟内使用真空泵(Edward Co.,RV3)对气体采样回路进行真空减压。

之后，如图2所示，在第二切换阀打开为ON状态之后，打开集气管的开/关阀以使集气管内的气体扩散到气体采样回路中。此时，第一切换阀关闭为OFF状态。

之后，如图3所示，第二切换阀打开为ON状态，并且通过施加13.0psi的压力的作为载气的He将气体样品注入到色谱柱中。

通过GC-MSD分析如上所述注入的锂离子电池内产生的气体。分析结果如图5所示。

通过如上所述的实验，已经认识到，即使在低于载气压力的压力下，也可以自动将气体注入气相色谱中。

Claims (7)

1.一种用于气相色谱分析的气体进样装置，包括：

集气管，用于收集电池内的气体并利用开/关阀调节所述气体以排出收集的所述气体的一部分作为气体样品；

气体采样回路，用于收集注入气相色谱仪中的所述气体样品；

第一切换阀，用于利用载气调节填充在所述气体采样回路中的所述气体样品向色谱柱中的注入；

第二切换阀，连接到所述集气管并用于调节所述气体样品向所述气体采样回路中的扩散；以及

真空泵，用于对所述气体采样回路进行真空减压，

其中，设置多个所述集气管并进而排出多种气体作为气体样品，

其中，多个所述集气管为多位阀的形式，

其中，所述集气管内的所述气体的压力低于所述载气的压力，

其中，在使用所述真空泵对所述气体采样回路进行真空减压之后，打开所述第二切换阀，从而所述集气管的所产生的气体被扩散并填充到所述气体采样回路中，然后打开所述第一切换阀利用所述载气将填充在所述气体采样回路中的所产生的气体注入所述气相色谱仪中。

2.根据权利要求1所述的用于气相色谱分析的气体进样装置，还包括用于控制所述第一切换阀及所述第二切换阀的开/关的控制装置。

3.根据权利要求1所述的用于气相色谱分析的气体进样装置，其中，所述真空泵通过与所述第二切换阀连接而经真空减压来对所述气体采样回路进行真空减压。

4.根据权利要求1所述的用于气相色谱分析的气体进样装置，其中，所述气体是选自由氢气、氧气、氮气、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、乙烷、乙烯和丙烷组成的组中的一种或多种。

5.根据权利要求1所述的用于气相色谱分析的气体进样装置，其中，通过控制所述第一切换阀与所述第二切换阀的开/关之间的时间差，来控制所述气体采样回路的所述真空减压、所述集气管和所述气体采样回路的连接以及所述气体样品向所述色谱柱中的所述注入。

6.根据权利要求1所述的用于气相色谱分析的气体进样装置，其中，所述第一切换阀和所述第二切换阀是六通阀或九通阀。

7.一种使用根据权利要求1所述的气体进样装置来注入用于气相色谱分析的气体样品的方法。

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